【摘要】三足式离心机广泛应用于轻工、化工、医疗以及冶金工业等生产部门，是从溶液中分离出晶体或固体颗粒的一种设备。该型离心机的运行稳定性，取决于被分离液体的透水性。对于透水性良好的物料，进入筛栏后往往分布不均形成偏载，由此产生的离心力构成了对离心机机体运行的扰动力源，当此力源强度随偏载量达到一定程度后，机体将产生倾翻，离心机将出现运行失稳，这种现象已成为三足式离心机运行中的一个急需解决的问题。

　　【关键词】三足离心机；失稳；监控

　　一、问题的提出

　　三足式离心机广泛应用于轻工、化工、医疗以及冶金工业等生产部门，靠离心力场从溶液或混合液中分离晶体或固体颗粒，完成固液两相分离的机械设备。目前企业中通常使用的三足式离心机结构组成如图1所示。离心机转子6装于机架2上，由2与6组成的机体通过三只球铰吊杆3悬挂在机座1上，压力弹簧4给机架支点以压力，当物料进入筛栏5之后，根据物料的透水性，物料在离心力场由（电机7驱动转子6）和重力场作用下，可有两种分布状态如图2中1.2线所示。对于透水性好的材料，例如聚乙烯脂溶液，其分布凹凸不均的状态，形成偏载如图中1线。相反，对于透水性不好的物料则分布均匀如图中2线。生产实践表明，当分离透水性好的物料诸如化工厂生产的助剂，轻工厂生产的味精，都由于布料不均而出现偏载，而且当偏载量达到一定程度后，在相应的离心力作用下，导致机体产生相应的倾翻，出现离心机运转的失稳，通常称之为振车。这时，机体同吊杆之间产生冲击，发出巨大的声响，并引起厂房结构的晃动，污染生产环境，给机器使用寿命造成威胁，特别是化工企业，由于工艺流程的要求，离心机往往被按装在厂房建筑的高层结构上，在这种场合下，振车的危害尤为严重。

　　本文的工作在于对当前运行中的各型号离心机的振车寻求合理的监测特征，对机器运行状态作连续监视。如果偏载量过大，在机器尚未达到额定转速就已出现了振车，这种情况下通过本文的监视系统，在出现振车之前将离心机导入“特殊运行制度”，以期控制扰力水平，保证离心机不出现振车，使离心机的运行经常处于稳定状态。

　　二、检测特征的选定

　　1.离心机机体运动规律

　　为防止发生振车，必须对离心机做运行状态的识别，而状态的识别要以机器的运行规律为基础。首先为从理论上阐明机器的运行规律，将图1所示的离心机进行简化，建立图3（b）所示的力学模型。

　　这里略去了机体的弹性，而视机体为刚体，假定机器的阻尼为粘性阻尼，在建立微分方程时略去二阶微量。图3（a）是机器吊杆的实际详细结构。吊杆上端支承在坐于机座1上的半球坐垫7上，下端通过垫板5、销板6与机体2耳孔相连接，吊杆3外面的弹簧4受吊杆尺寸的影响其刚度远小于吊杆刚度，形成不等刚度的约束。根据机器的实际结构可得如图3（b）所示的力学模型。考虑到吊杆两端的约束情况，在微幅震动中，确定机体位置的独立坐标选为绕上球铰摆动的X与Y方向的摆角φx与φy；绕通过质心的坐标X、Y、Z转动的转角α、β、γ；沿Z轴位移Z等六个量。这里认为质心与机器转动中心重合。在求出系统的功能T、势能U、耗散函数R以及广义力之后根据拉格朗日方程得出机体振摆的微分方程组如下。

　　式中μ表示阻尼系数，K表示吊杆与压力弹簧的刚度和；E表示吊杆到Z轴的平均距离；J表示机体转动惯量；l表示吊杆长度；g表示重力加速度；ω表示转鼓角速度；t表示时间，其余符号见图3。

　　以上方程组中的一、二、五及六等四个式子是独立的非耦联的，第三、四两式是耦联的，其解：

　　其中引用的符号如下：

　　上述方程证明，沿x与y方向摆动的固有频率ωnφx与ωnφy是相等的，根据机器结构，其值为4.7Hz，相应的转速为280rpm；绕Z轴的扭摆频率ωnr大于40Hz其相应的转速大于2400rpm；绕Y、X轴及沿Z轴的转动与平动的频率ωnβ、ωnγ及ωnz分别大于58Hz、67Hz及92Hz对应的转速分别为3500rpm、4000rpm及5500rpm。目前运行中的三足式离心机其额定转速为900rpm，显然，离心机在运转升速过程中，其机体要经过最低两阶的固有频率所对应的转速。由于ωnφx与ωnφy是等频，故而表现出机体只跳过一个共振点之后就稳定运行于额定转速上，这已被离心机的现场实测值所证实。这说明振车的出现并非机体共振引起的，而是由于偏载过大所引起的大的离心力决定的，后者是主要因素。

　　2.离心机运行失稳的条件

　　根据图3（a）所示结构，当机体在偏载引起的离心激励下，为机体的耳孔与吊杆下支点的垫板之间的压力为零时就是运行失稳的临界状态，这时吊杆应力亦为零。这个条件可写成：

　　式中Zkw—吊杆在机体与物料重量以及弹簧力作用下产生的静变形。

　　对于某一偏载量，上式右端项随离心机转速的升高，其各项的代数和在Z轴的正方向的值等于Zkw时，是出现振车的临界条件。如果小于Zkw机器运行稳定，反之，则运行失稳。

　　3.检测特征的确定

　　为了监控机器的运行状态，以机体耳孔处的位移作为诊断特征是最好的，这种直接诊断不受其他因素影响，不产生判断失误，但是这给信息的获取带来了一定的困难，监控不易实现。因此我们通过间接诊断检测吊杆应力σk，以吊杆应力作为检测特征。如前所述，当吊杆下端垫板与耳孔开始脱离接触，应力σk就下降为零。我们采用电阻应变片通过吊杆应力来获取机器运行状态的信息，实现间接诊断是方便且可行的。

　　为了提高监控的精确度，排除间接诊断各影响因素，必须严格控制三根吊杆和三只压力弹簧的几何尺寸及动特性的一致性。另外，机体的总重量中还包括物料的重量，而每次装入筛栏的量也不是恒定的，势必影响吊杆应力，但是，物料重量所占的比例不大，且每次装料的差异与物料重量相比又较小，其偏差小于机体重量的5%。

　　此外，离心机运行失稳的出现，是在每次升速过程中发生的，而且装料偏载量又是随机的，因此必须进行连续监控。

　　三、结束语

　　本文提出的监控系统，对于解决分离透水性良好物料时出现的振车问题是切实可行的，符合离心机操作者在处理振车问题时所采取的应急措施的习惯。该系统既可保证离心机稳定运行，又可保证分离作业的工艺要求。

　　本监控系统，考虑到实施的成本，人的因素参与了操作。当然还可以提高监控水平，例如“特殊运行制度”运行时的作业时间的控制问题，可以根据监控信息实现自动停机。

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